Вопрос 19.

При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положительным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкновении электронов с молекулами расходуется энергия, которая превращается в тепло. Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует эатраты определенной энергии.  Так, например, для перемещения какого -либо тела преодолевается сопротивление трения, и работа, затраченная на это, превращается в тепло. Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и сопротивление трения.  Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло. Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля  или закон теплового действия тока. Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что  при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику. Это положение называется законом Ленца - Джоуля. Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q (Дж),  ток, протекающий по проводнику - I, сопротивление проводника - R и время, в течение которого ток протекал по проводнику - t, то закону Ленца - Джоуля можно придать следующее выражение:  Q = I²Rt. Так как I = U/R и R = U/I, то Q = (U²/R) t = UIt.

Закон ВИДЕМАНА - ФРАНЦА -соотношение, связывающее электронныетеплопроводность c и электропроводность s твёрдых тел. Экспериментально установлен Г. Видеманом (G. Wiedemann) и P. Францем (R. Franz) в 1853 применительно к металлам в виде соотношения  =С, где С - постоянная, одинаковая для всех металлов при данной темп-ре. В 1882 Л. Лоренц (L. Lorentz) нашёл, что C=LT, где T - абс. темп-pa, L - универсальная постоянная, наз. числом Лоренца.

Впервые В.- Ф. з. получил объяснение в Друде теории металлов. Постоянство отношения   связано с тем, что в металлах тепловой поток переносится гл. обр. электронами, причём в электронную теплопроводность   и в s входят одинаковым образом одни и те же параметры - время свободного пробега, масса и концентрация свободных электронов. Число Лоренца в теории Друде совпадало с эксперим. значением, однако, как выяснилось впоследствии, это совпадение по существу было случайным: принципиальные ошибки, допущенные при вычислении уд. теплоёмкости и ср. скорости электронов, связанные с применением классич. статистики (см. Болъцмана распределение)к электронам в металлах, взаимно компенсировались; кроме того, была допущена численная ошибка при вычислении электропроводности.

Истинное количественное обоснование В.- ф. з. получил в Зоммерфелъда теории металлов, в к-рой рассеяние электронов предполагалось изотропным. Согласно этой теории,  =2,45*10^-8 Вт*Ом*K^-2 (е - заряд электрона).

Из совр. теории металлов, основанной на зонной теории твёрдого тела, следует, что В--Ф. з. справедлив и в случае анизотропного рассеяния при условии, что рассеяние электронов носит упругий характер, т. е. изменение энергии электрона при рассеянии мало по сравнению с величиной его энергии. При неупругом рассеянии В.- Ф. з. нарушается. В.- Ф. з. экспериментально подтверждается для большинства металлов при комнатной темп-ре, но имеются исключения (Be, Mn), природа к-рых пока не имеет однозначного истолкования.

В.- Ф. з. применим также к полупроводникам. Число Лоренца в этом случае зависит от механизма рассеяния носителей заряда. При упругом рассеянии

Здесь r - показатель степени в (степенной) зависимости времени свободного пробега носителей от их энергии, напр. для рассеяния на акустич. фононах r=-1/2, для рассеяния на ионизованных примесях r=3/2 (см. Брукса - Херринга формула). При неупругом рассеянии носителей (в частности, при рассеянии на оптич. фононах в области низких темп-р), а также при произвольной степени вырождения носителей (см. Вырожденный полупроводник)В.- Ф. з. нарушается в том смысле, что L сложным образом зависит от темп-ры.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока равна работе, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного положительного электрического заряда вдоль всей цепи. E=Act\q  q - переносимый заряд Аст - работа сторонних сил